После того как пластик нагреется достаточно, чтобы выйти из матрицы, тепло необходимо отводить, при этом избегая искажения размеров изделия. Вот как.
Чтобы термопласт размягчился настолько, чтобы его можно было выдавливать, необходим нагрев. Прежде чем идти дальше, давайте проясним два аспекта.
Во-первых, тепло — это форма энергии, поэтому его можно подсчитать и измерить. Энергия имеет много форм, но она не появляется и не исчезает. Никакой магии. Ее можно измерить в калориях; это количество теплоты, необходимое для нагревания одного грамма воды на 1°C. Это незначительное количество, поэтому обычно для расчетов используют 1000 калорий (ккал). Если вы используете джоули: 4,2 джоуля = 1 калория.
Цифры известны уже давно, но иногда их игнорируют или избегают, когда подсчет нежелателен. То же самое касается людей, которые не хотят считать калории в пище, что ненаучно, но позволяет получать другие удовольствия от еды, такие как вкус и “свобода” следовать импульсу и образу, например: “Если что-то зеленое, это полезно».
Мы, ученые, тоже можем наслаждаться едой, даже если считаем калории: 9 ккал/г жиров или масел и 4 ккал/грамм белков и углеводов (крахмал, сахара). Да, жиры являются питательными веществами как источники энергии, а белки — это то же самое, что углеводы и сахара, но общественное мнение говорит об обратном. Вода (80% в мясе и различное содержание в овощах) тоже полезна для вас, но не является источником энергии. Так что это не считается. Интернет и этикетки на продуктах питания пестрят этой информацией, но помните, что она указана на грамм, поэтому важно, сколько вы съедите. Около 30 граммов = унции, а 454 грамма = 1 фунту, так что не позволяйте граммам останавливать вас.
Второй аспект, который нужно прояснить, — это температурная шкала. Используется как C, так и F, и если у нас есть датчик или точка замера, необходимо знать единицы измерения. Это просто: 5 °C = 9 °F, а 0 °C равно 32 °F (вода замерзает до состояния льда, молекулы те же, но организованная структура). Фаренгейт (F) изобрел термометр в 1717 году, а Цельсий (C) основывал шкалу на основе замерзания и кипения воды в морской Швеции, такой же, как в США на уровне моря (она меняется в зависимости от высоты, но он этого не знал).
Чтобы понять охлаждение, нужно понимать нагрев
Вернемся к пластмассам. Чтобы понять охлаждение, мы должны понять нагрев. Такого понятия, как холод, не существует — охлаждение означает отвод энергии. Для нагрева 2,2 фунтов (1 килограмм) полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) от комнатной температуры 73 °F (25 °C) до температуры экструзии 410 °F (210 °C) требуется около 138 ккал (0,16 кВт*ч). Это примерно 0,61 ккал на фунт. Эти цифры идеальны, но в реальном мире есть реальные потери; если у меня нет другой информации, я предполагаю, что это число требуется удвоить. Обычно это все еще слишком мало, чтобы беспокоиться о стоимости, но не о перегреве.
Большая часть этой энергии поступает от двигателя, поскольку он преодолевает трение, перемещая винт вперед в липком расплаве. Некоторая часть поступает от нагревателей для матриц, а также от нагревателей корпуса для высокотемпературных пластмасс, таких как ПЭТ и нейлон. Эти цифры включают как повышение температуры, так и снижение кристалличности, которая для ПЭНП составляет около 40%.
Такие данные трудно найти даже в интернете. Я использую Рао и О’Брайен (Hanser, 1998), специалисты по полимерам знают другие источники, но для экструдеров это не важно, поскольку большинство машин могут давать более чем достаточно тепла. Однако это приводит к распространенному заблуждению, что большая часть тепла поступает от нагревателей корпуса, потому что именно эти температуры мы регулируем как с помощью нагревателей, так и с помощью воздушного или водяного охлаждения.
Важность температуры цилиндра
Нагрев цилиндра важен для очень маленьких машин, а также для любых машин, которые работают медленно, некоторых экструзионных покрытий и высокотемпературных полимеров, как отмечалось выше. Нагреватели необходимы для запуска и поддержания стабильности, но обычно не являются основным источником тепла. Температура в задней части цилиндра имеет решающее значение по другой причине: от нее зависит скольжение гранул по стенкам цилиндра в первой зоне (зонах) и, соответственно, скорость на входе/выходе.
Экструдеры с рифлеными цилиндрами — это частный случай; они часто используются для полиэтилена высокой плотности. Если у вас именно такой экструдер, узнайте больше о том, как он работает. Первая зона охлаждается водой, чтобы предотвратить прилипание и плавление в ней. В случае с обычными цилиндрами также может быть предусмотрено охлаждение, чтобы избежать забивания подающих каналов, а при отсутствии канавок, это редко контролируется.
Охлаждение продукта
После того как пластик нагреется достаточно, чтобы выйти из матрицы, тепло необходимо отводить, при этом избегая искажения размеров изделия. Существует три основных охладителя — вода, воздух и охлаждаемая металлическая поверхность, такая как ролик. Теплоносители используются, когда требуется температура выше 100 °C, например, на линиях обработки тонколистовых материалов.
Для большинства профилей, включая трубопроводы, достаточно воды; при этом используются калибровочные устройства на входе и удлиненные резервуары для воды, которые питают съемник, резчик и намотчик. Принтер также может находиться в этом списке.
Такие продукты обычно охлаждают водой по внешней поверхности появляющегося расплава. Обратите внимание, что некоторые полимеры плавучие, из-за чего возможно выталкивание вверх, поэтому всестороннее распыление обеспечивает однородность. При полном погружении происходит полный контакт, но может потребоваться некоторое нажатие, которое может деформировать продукт.
Толщина также важна, поскольку тепло проходит через пластмассу медленно и пропорционально разнице температур, поэтому чем толще, тем медленнее. Все пластмассы при охлаждении дают усадку, особенно полукристаллические. При слишком быстром охлаждении в продукте возникает больше напряжений, что может иметь значение, а может и не иметь (вы можете проверить это с помощью термоусадки).
Калибровочные устройства могут иметь отдельное охлаждение, даже те, которые могут изменять размеры продукта в процессе обработки. При попадании продукта в калибровочное устройство на него можно нанести небольшое количество воды, чтобы вызвать небольшую усадку и смазать вход.
Вакуум можно использовать при калибровке, либо для вытягивания горячего пластика до фиксированных размеров металла (калибровочная втулка), либо для полых изделий, таких как трубы, для снижения давления в воздушном пространстве, чтобы давление воздуха внутри полого изделия выталкивало его наружу в соответствии с калибровочным устройством. Слишком сильный вакуум может замедлить или остановить движение скольжения, поэтому необходим тщательный контроль давления и смазка.
Несколько слов о приготовлении смеси
Смесь и некоторые нити можно экструдировать в резервуар для воды. Регулировка уровня помогает контролировать расстояние от матрицы до воды, а также температуру матрицы, расплава и воды.
Самые высокопроизводительные смесители могут иметь внутреннее охлаждение, при этом вода находится внутри и под круглым штампом с вращающимся режущим ножом внутри, который выбрасывает горячие гранулы в поток воды. Линейные штампы — один или два ряда отверстий — обычно вытягивают нити через внешний резервуар с водой, хотя нити из круглых штампов также можно охлаждать подобным образом.
Тонкая пленка, получаемая экструзией с раздувом
Воздух в качестве охлаждающей жидкости чаще всего используется для тонких пленок, получаемых экструзией рукава с раздувом (рукавных пленок), при этом горячая трубка выходит из матрицы вверх (иногда вниз или вбок), а кольцо воздушного охлаждения выдувает воздух на выходящую поверхность, которая также расширяется и истончается от внутреннего давления воздуха. Для ускорения производства можно охлаждать наружный воздух. Поскольку это крупный рынок, существует множество вариаций этого принципа, в частности внутреннее пузырьковое охлаждение и экструзия вниз с использованием воды и воздуха в качестве охладителей. Лепестковые головки отводят горячий воздух с поверхности, чтобы более холодный воздух мог проникнуть внутрь и набрать скорость.
Охлаждение металлическими валками
Поверхности металлических валков обычно используются для охлаждения большинства плоских листов, экструзионных покрытий и некоторых пленок. Для листовых материалов чаще всего используют многовалковые каландры; большинство из них устанавливаются вертикально, а некоторые — под углом и даже горизонтально. Для тонких пленок и покрытий используется только один большой охлаждающий валок, с которым пластик соприкасается при выходе из матрицы (расстояние регулируется).
При вертикальной подаче в каландр нижняя поверхность пластмассы сначала попадает на средний валок, огибает его, а затем охлаждает другую поверхность на валке. Верхний валок не сильно охлаждается, но оказывает давление на формирующийся экструдат; его также может предварительно нагревать, делать рельефное тиснение и/или наносить покрытие. Когда верхняя поверхность имеет решающее значение, материал может перемещаться вверх по каландру, чтобы первая охлажденная поверхность всегда оставалась на верхней стороне, не контактируя с опорными роликами.
При охлаждении валков температура воды тщательно контролируется с помощью теплообменников. Обратите внимание на разницу температур в центре и с краю матрицы; в плоских матрицах ее легче контролировать внутри/на матрице (зазор, точечная изоляция и нагрев, а также настройки), чем при охлаждении. Такие изменения в матрице могут быть полезны и для других матриц, не только плоских, и во всех случаях может понадобиться узкоугольный инфракрасный термометр.
Чтобы избежать более медленного охлаждения и сократить количество обрезков, кромки плоских изделий, которые необходимо обрезать, можно изолировать и охлаждать воздухом или сделать тоньше. Кроме того, вентиляторы над открытыми поверхностями (включая нижнюю сторону) могут усилить охлаждение.
Выдувное формование
Большая часть процесса выдувного формования осуществляется с помощью экструдеров, поэтому здесь актуальны некоторые из указанных выше замечаний, особенно те, которые касаются труб. Охлаждение, однако, происходит в формах и больше связано с литьем под давлением, чем с экструзией труб.
Для повышения эффективности охлаждающие жидкости можно подвергнуть охлаждению, но, если они слишком холодные, в их каналах может конденсироваться вода из атмосферы и нагреваться, поэтому изоляция вполне может окупиться. Охлажденный воздух для выдувания пленки требует значительных эксплуатационных затрат, если не контролировать его должным образом (с помощью измерений температуры и известных требуемых значений).
Температура подачи
Температурой подачи часто пренебрегают, и это особенно важно, если материалы хранятся на открытом воздухе. Таких колебаний (день-ночь, сезонные и под воздействием солнца) можно избежать, осуществив предварительный нагрев, даже если нет необходимости удалять влагу, поскольку равномерная температура может быть достаточным преимуществом, чтобы оправдать его стоимость. Изолируйте бункер и, возможно, некоторые линии передачи, чтобы уменьшить теплопотери. Подача порошка — это реальная, но преодолимая проблема.
Предварительный нагрев также можно использовать для систем, в которых двигатель не выделяет достаточного количества тепла, а цилиндр и матрица не могут компенсировать это в полной мере.
Предварительное охлаждение сырья помогает поддерживать постоянную температуру сырья, но используется редко, поскольку это значит, что при экструзии потребуется больше тепла.
Повторное использование энергии охлаждения
В некоторых линиях горячий воздух может направляться от цилиндра вверх в зону подачи. Это не распространено, но привлекательно в очень холодном климате или когда затраты на электроэнергию необычайно высоки. В большей части Северной Америки затраты на электроэнергию достаточно низкие для такой экономии, но это может измениться в будущем или даже сейчас, если руководство попытается снизить зависимость от электросети. Поэтому полезно ясно представлять себе преимущества такой экономии.
Это можно сделать и с помощью охлаждающей воды, но экструдеров с водяным охлаждением меньше, и экономия средств сама по себе может не оправдать этого.
Повторное использование тепла при охлаждении продукта встречается нечасто, но возможно и заслуживает внимания, если это может повысить скорость производства. Линии с водяным охлаждением часто можно оптимизировать, пропуская продукт через вырезы, которые позволят удалить слой горячей воды вокруг продукта и, таким образом, стимулировать поток более холодной воды у поверхностей продукта.
Не забывайте об усадке при последующем охлаждении, которая может повлиять на печать и размеры. На использовании каландров и валков процесс не заканчивается, поскольку усадка некоторых пластмасс занимает несколько часов после охлаждения и может зависеть от скорости охлаждения.
Охлаждение шнека
И последнее, но не менее важное: многие шнеки могут охлаждаться жидкостью изнутри во время работы с помощью теплообменника, который обеспечивает постоянную температуру на входе. В этом случае не отводится много тепла из системы, но улучшается перемешивание. Это обратимый процесс, не требует нового оборудования, но снижает производительность. Если увеличение скорости вращения шнека может компенсировать потерю, это беспроигрышный вариант.
Об авторе
Аллан Грифф — опытный инженер-экструзионщик, который начинал в отделе технического обслуживания крупного поставщика смол и уже много лет работает самостоятельно в качестве консультанта, эксперта в судебных делах и преподавателя на вебинарах и семинарах, как публичных, так и внутрикорпоративных. Аллан Грифф написал Технологию экструзии пластмасс, первую практическую книгу по экструзии в Соединенных Штатах, а также Руководство по экструзии пластмасс, обновляемое почти каждый год и выпускаемое на испанском и французском языках, а также на английском.
Дополнительную информацию можно получить на сайте www.griffex.com или по эл. почте algriff@griffex.com.
По словам автора, в ближайшее время он не планирует проводить семинары, поскольку его виртуальный аудиовизуальный семинар имеет большой успех. Никаких путешествий, никакого ожидания назначенной даты, те же слайды в PowerPoint, но с аудио-объяснениями и текстовым сопровождением. Смотрите в своем собственном ритме; групповое участие предлагается за единую цену, включая право задавать вопросы и получать подробные ответы по электронной почте.
Дополнительную информацию можно получить по тел. 301/758-7788 и эл. почте algriff@griffex.com.
